DE102017202359A1 - ENERGY STORAGE MODULE, ENERGY STORAGE SYSTEM, VEHICLE AND METHOD FOR MEASURING A CELL VOLTAGE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul, insbesondere eine Festkörperbatterie, ein Energiespeichersystem, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul oder einem solchen Energiespeichersystem. Zwei in einem Stapel angeordnete und in Serie geschaltete Energiespeicherzellen weisen jeweils eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht auf. Ein Kontaktelement, welches mit einer im Inneren des Stapels liegenden Anodenschicht einer ersten Energiespeicherzelle und mit einer im Inneren des Stapels liegenden Kathodenschicht einer der ersten Energiespeicherzelle benachbarten zweiten Energiespeicherzelle elektrisch verbunden ist, ist derart aus dem Stapel herausgeführt, dass das wenigstens eine Kontaktelement von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist. The invention relates to an energy storage module, in particular a solid-state battery, an energy storage system, a vehicle and a method for measuring an electrical voltage on such an energy storage module or such an energy storage system. Two energy storage cells arranged in a stack and connected in series each have an anode layer and a cathode layer. A contact element, which is electrically connected to an anode layer of a first energy storage cell lying in the interior of the stack and to a second energy storage cell located in the interior of the stack of a second energy storage cell adjacent to the first energy storage cell, is led out of the stack such that the at least one contact element extends from outside the Stack is electrically contacted.
Description
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul, insbesondere eine Festkörperbatterie, zur elektrochemischen Speicherung von Energie, ein Energiespeichersystem mit solchen Energiespeichermodulen, ein Fahrzeug mit einem solchen Energiespeichermodul oder Energiespeichersystem sowie ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul oder Energiespeichersystem.The invention relates to an energy storage module, in particular a solid-state battery, for the electrochemical storage of energy, an energy storage system with such energy storage modules, a vehicle having such an energy storage module or energy storage system and a method for measuring an electrical voltage to such an energy storage module or energy storage system.
Bei Festkörperbatterien handelt es sich um elektrochemische Energiespeicherzellen, bei welchen anstelle von flüssigen Elektrolyten Festkörperelektrolyten eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Festkörperelektrolyten werden deutlich höhere Energiedichten als mit Flüssigelektrolyten erreicht. Ferner wird dadurch die Herstellung solcher Zellen vereinfacht und deren Sicherheit im Betrieb erhöht. Um die erreichbaren Spannungen zu erhöhen, werden in der Regel mehrere Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet.Solid-state batteries are electrochemical energy storage cells in which solid-state electrolytes are used instead of liquid electrolytes. Through the use of solid electrolyte significantly higher energy densities are achieved than with liquid electrolytes. Furthermore, this simplifies the production of such cells and increases their safety during operation. In order to increase the achievable voltages, several energy storage cells are usually connected in series.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit eines Energiespeichermoduls im Betrieb zu ermöglichen und insbesondere eine längere Lebensdauer bei hoher Energiedichte zu erreichen.It is an object of the invention to enable a further increase in the reliability of an energy storage module during operation and in particular to achieve a longer service life with high energy density.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Energiespeichermodul, ein Energiespeichersystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul und/oder Energiespeichersystem gemäß den Ansprüchen 1, 8, 9 bzw. 10.This object is achieved by an energy storage module, an energy storage system, a vehicle and a method for measuring an electrical voltage on such an energy storage module and / or energy storage system according to
Ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul, insbesondere in Form einer Festkörperbatterie, zur elektrochemischen Speicherung von Energie weist wenigstens zwei in einem Stapel angeordnete und in Serie geschaltete Energiespeicherzellen auf, welche jeweils eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht aufweisen, und ist gekennzeichnet durch wenigstens ein Kontaktelement, welches mit einer im Inneren des Stapels liegenden Anodenschicht einer ersten Energiespeicherzelle und mit einer im Inneren des Stapels liegenden Kathodenschicht einer der ersten Energiespeicherzelle benachbarten zweiten Energiespeicherzelle elektrisch verbunden ist und aus dem Stapel herausgeführt ist, so dass das wenigstens ein Kontaktelement von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist.An inventive energy storage module, in particular in the form of a solid state battery, for the electrochemical storage of energy has at least two arranged in a stack and connected in series energy storage cells, each having an anode layer and a cathode layer, and is characterized by at least one contact element, which with a in Inside the stack lying anode layer of a first energy storage cell and electrically connected to a lying in the interior of the stack cathode layer of the first energy storage cell second energy storage cell and is led out of the stack, so that the at least one contact element from outside the stack is electrically contacted.
Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem weist wenigstens zwei erfindungsgemäße Energiespeichermodule auf, wobei die Energiespeichermodule derart nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind, dass sich wenigstens ein aus einem ersten Energiespeichermodul herausgeführtes Kontaktelement und wenigstens ein aus einem dem ersten Energiespeichermodul benachbarten zweiten Energiespeichermodul herausgeführtes Kontaktelement berühren.An inventive energy storage system has at least two energy storage modules according to the invention, wherein the energy storage modules are arranged side by side and / or one above the other, that touch at least one led out of a first energy storage module contact element and at least one out of a first energy storage module adjacent second energy storage module led out contact element.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul und/oder ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem auf. Das Fahrzeug weist vorzugsweise einen Elektroantrieb oder Hybridantrieb auf.A vehicle according to the invention, in particular a motor vehicle, has an energy storage module according to the invention and / or an energy storage system according to the invention. The vehicle preferably has an electric drive or hybrid drive.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul und/oder Energiespeichersystem, das wenigstens zwei Kontaktelemente aufweisen, zwischen denen eine oder mehrere Energiespeicherzellen angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung an jeweils zwei Kontaktelementen, die aus einem Stapel von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen herausgeführt sind, abgegriffen und gemessen wird.An inventive method for measuring an electrical voltage to an energy storage module according to the invention and / or energy storage system having at least two contact elements, between which one or more energy storage cells are arranged, is characterized in that an electrical voltage to each two contact elements, which consists of a stack of connected in series energy storage cells are led out, tapped and measured.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, dass die elektrochemischen Energiespeicherzellen einen sog. bipolaren Stapel bilden, im welchem die Anoden- und Kathodenschicht von benachbarten Energiespeicherzellen durch ein elektrisch leitendes Kontaktelement miteinander elektrisch verbunden sind, wobei das Kontaktelement aus dem Stapel herausgeführt wird, um es außerhalb des Stapels zugänglich zu machen. Dadurch kann das jeweilige Potenzial, insbesondere die individuelle Zellenspannung (im Folgenden auch als „Einzelzellenspannung“ bezeichnet), der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen leicht abgegriffen und gemessen werden, um daraus beispielsweise Aufschluss über den individuellen Ladezustand der einzelnen Energiespeicherzellen zu gewinnen.One aspect of the invention is based on the approach that the electrochemical energy storage cells form a so-called. Bipolar stack in which the anode and cathode layer of adjacent energy storage cells are electrically connected by an electrically conductive contact element, wherein the contact element is led out of the stack to to access it outside the stack. As a result, the particular potential, in particular the individual cell voltage (also referred to below as "single-cell voltage"), of the individual cells connected in series can be easily tapped and measured in order to obtain information about the individual state of charge of the individual energy storage cells, for example.
Durch die hierdurch ermöglichte Messung bzw. Überwachung der Einzelzellenspannungen der im bipolaren Stapel in Reihe geschalteten Zellen kann eine drohende Überladung und/oder Tiefentladung der einzelnen Zellen beim Aufladen bzw. Entladen des Energiespeichermoduls rechtzeitig erfasst werden, um zur Vermeidung einer Schädigung einzelner Zellen die jeweils erforderlichen Gegenmaßnahmen rechtzeitig einzuleiten. Beispielsweise kann bei Bedarf, z.B. bei einer drohenden Überladung oder Tiefentladung einzelner Zellen, der Ladezustand einzelner Energiespeicherzellen durch von außen über die Kontaktelemente zu- oder abgeführte Ladungen beeinflusst werden, etwa indem eine elektrische Stromquelle bzw. ein elektrischer Verbraucher an jeweils zwei Kontaktelemente, insbesondere ein mit der Kathode und ein mit der Anode einer einzelnen Zelle verbundenes Kontaktelement, angelegt bzw. angeschlossen wird.As a result of the measurement or monitoring of the individual cell voltages of the cells connected in series in the bipolar stack, an imminent overcharge and / or total discharge of the individual cells during charging or discharging of the energy storage module can be recorded in time to avoid the damage of individual cells Initiate countermeasures in good time. For example, if necessary, e.g. in an impending overcharge or exhaustive discharge of individual cells, the state of charge of individual energy storage cells are influenced by externally via the contact elements or discharged charges, such as by an electrical power source or an electrical load to two contact elements, in particular one with the cathode and one with the anode of a single cell connected contact element, is created or connected.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit eines Energiespeichermoduls im Betrieb. Dadurch lassen sich längere Lebensdauern bei hoher Energiedichte erreichen. Overall, the invention enables a further increase in the reliability of an energy storage module during operation. As a result, longer lifetimes can be achieved with high energy density.
In einer bevorzugten Ausführung weist das wenigstens eine Kontaktelement eine elektrisch leitende Kontaktschicht auf, welche im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Anodenschicht und Kathodenschicht verläuft und mit der Anodenschicht und der Kathodenschicht elektrisch verbunden ist. Die Kontaktschicht bildet hierbei eine zwischen jeweils benachbarten Zellen angeordnete elektrisch leitende Zwischenwand oder -schicht, durch welche die Anoden- und Kathodenschicht der benachbarten Zellen miteinander verbunden werden. Die Kontaktschicht, welche auch als Bipolarplatte oder als Stromsammelschicht bezeichnet werden kann, erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Querschnitt des Stapels. Damit bildet die Fläche der Kontaktschicht den Leiterquerschnitt für den Betriebsstrom, welcher in Stapelrichtung fließt. Vorzugsweise wird das wenigstens eine Kontaktelement an einer Seitenfläche des Stapels aus dem Stapel herausgeführt, um eine Kontaktierung von außen auf besonders einfache Weise zu ermöglichen. Die Seitenfläche des Stapels verläuft dabei im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung, in welcher die Energiespeicherzellen, insbesondere die Anoden- und Kathodenschicht, im Stapel übereinandergestapelt bzw. nebeneinander angeordnet sind, und/oder senkrecht zu den Anoden- und Kathodenschichten.In a preferred embodiment, the at least one contact element has an electrically conductive contact layer, which runs essentially parallel to the respective anode layer and cathode layer and is electrically connected to the anode layer and the cathode layer. In this case, the contact layer forms an electrically conductive intermediate wall or layer arranged between adjacent cells, by means of which the anode and cathode layers of the adjacent cells are connected to one another. The contact layer, which may also be referred to as a bipolar plate or as a current collecting layer, preferably extends over the entire cross section of the stack. Thus, the surface of the contact layer forms the conductor cross section for the operating current, which flows in the stacking direction. Preferably, the at least one contact element is led out of the stack on a side surface of the stack, in order to allow a contact from the outside in a particularly simple manner. In this case, the side surface of the stack runs essentially parallel to a stacking direction, in which the energy storage cells, in particular the anode and cathode layer, are stacked in stack stacking or juxtaposed, and / or perpendicular to the anode and cathode layers.
In einer bevorzugten Ausführung weist das wenigstens eine Kontaktelement eine entlang der Seitenfläche des Stapels im Wesentlichen parallel verlaufende Kontaktfläche auf, welche von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist. Über eine solche Kontaktfläche kann das wenigstens eine Kontaktelement besonders zuverlässig kontaktiert werden.In a preferred embodiment, the at least one contact element has a contact surface extending substantially parallel along the side surface of the stack, which contact surface is electrically contactable from outside the stack. About such a contact surface, the at least one contact element can be contacted particularly reliable.
Vorzugsweise ist die Kontaktfläche von der Seitenfläche des Stapels beabstandet, beispielsweise durch eine Kontaktfahne des Kontaktelements, die seitlich, d.h. senkrecht zur Stapelrichtung, aus dem Stapel herausragt. Alternativ oder zusätzlich ist die Kontaktfläche gegenüber der Seitenfläche, insbesondere gegenüber einer oder mehreren Anoden bzw. Kathodenschichten, des Stapels elektrisch isoliert. In beiden Fällen wird auf einfache Weise ein Kurzschluss vermieden.Preferably, the contact surface is spaced from the side surface of the stack, for example by a contact lug of the contact element which is laterally, i. perpendicular to the stacking direction, protruding from the stack. Alternatively or additionally, the contact surface with respect to the side surface, in particular with respect to one or more anodes or cathode layers, of the stack is electrically insulated. In both cases, a short circuit is easily avoided.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Kontaktfläche entlang der Seitenfläche des Stapels, insbesondere in Stapelrichtung und/oder senkrecht zur Kontaktschicht, eine Ausdehnung auf, welche größer ist als die Dicke der Kontaktschicht. Vorzugsweise erstreckt sich die Kontaktfläche entlang der Seitenfläche des Stapels, insbesondere in Stapelrichtung, über mehr als 100 µm, bevorzugt mehr als 250 µm, besonders bevorzugt mehr als 500 µm. Dadurch wird das Risiko einer Fehlkontaktierung, insbesondere die Kontaktierung einer Anoden- oder Kathodenschicht bzw. die Erzeugung eines elektrischen Kurzschlusses, vermindert.In a further preferred embodiment, the contact surface along the side surface of the stack, in particular in the stacking direction and / or perpendicular to the contact layer, an extent which is greater than the thickness of the contact layer. The contact surface preferably extends along the side surface of the stack, in particular in the stacking direction, over more than 100 μm, preferably more than 250 μm, particularly preferably more than 500 μm. This reduces the risk of a faulty contact, in particular the contacting of an anode or cathode layer or the generation of an electrical short circuit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Kontaktfläche dazu eingerichtet, eine Steckverbindung mit einer Kontaktfläche eines anderen Energiespeichermoduls und/oder einer elektrischen Leitung einzugehen. Vorzugsweise weist die Kontaktfläche dazu ein erstes Steck- oder Rastelement auf, welches mit einem entsprechenden zweiten Steck- oder Rastelement einer Kontaktfläche eines anderen Energiespeichermoduls und/oder einer elektrischen Leitung derart verbunden werden kann, dass eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Dies erlaubt eine elektrische Verschaltung mit anderen Energiespeichermodulen auf schnelle, einfache und zuverlässige Weise.In a further preferred embodiment, the contact surface is adapted to enter into a plug connection with a contact surface of another energy storage module and / or an electrical line. Preferably, the contact surface for this purpose has a first plug-in or latching element, which can be connected to a corresponding second plug-in or latching element of a contact surface of another energy storage module and / or an electrical line such that an electrical connection is made. This allows electrical interconnection with other energy storage modules in a fast, easy and reliable manner.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind aus der Seitenfläche des Stapels mehrere Kontaktelemente herausgeführt, welche jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, wobei die jeweiligen Kontaktflächen in zwei Dimensionen der Seitenfläche versetzt angeordnet sind, so dass unterschiedliche Kontaktflächen nicht nur in Stapelrichtung, sondern auch senkrecht zur Stapelrichtung unterschiedliche Positionen haben. Vorzugsweise ist dabei der Versatz von zwei benachbarten Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung größer als die Ausdehnung der Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung. Durch die senkrecht zur Stapelrichtung versetzte Anordnung kann die Ausdehnung der einzelnen Kontaktflächen in Stapelrichtung ausreichend groß gewählt werden, um - ohne die Gefahr einer Berührung bzw. Überlappung mit einer benachbarten Kontaktfläche - eine sichere und einfache elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.In a further preferred embodiment, a plurality of contact elements are led out of the side surface of the stack, each having a contact surface, wherein the respective contact surfaces are arranged offset in two dimensions of the side surface, so that different contact surfaces not only in the stacking direction, but also perpendicular to the stacking direction different positions to have. Preferably, the offset of two adjacent contact surfaces perpendicular to the stacking direction is greater than the extension of the contact surfaces perpendicular to the stacking direction. By the offset perpendicular to the stacking arrangement, the expansion of the individual contact surfaces in the stacking direction can be chosen sufficiently large to - to allow a safe and easy electrical contact without the risk of contact or overlap with an adjacent contact surface.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Kontaktflächen der Kontaktelemente im Wesentlichen entlang einer Diagonalen der Seitenfläche des Stapels angeordnet. Dadurch wird eine regelmäßige Anordnung der Kontaktflächen erreicht, insbesondere bei maximal möglichem Abstand der Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung. Dies macht die Kontaktierung besonders sicher und einfach. Legt man außerdem zwei solche Energiespeichermodule mit ihren Seitenflächen aneinander, dann kommen die jeweiligen Kontaktflächen der Energiespeichermodule in Kontakt, wobei diese auf einfache und zuverlässige Weise zu einem Energiespeichersystem miteinander verschaltet werden können.In a further preferred embodiment, the contact surfaces of the contact elements are arranged substantially along a diagonal of the side surface of the stack. Thereby, a regular arrangement of the contact surfaces is achieved, in particular at the maximum possible distance of the contact surfaces perpendicular to the stacking direction. This makes the contacting particularly safe and easy. If you also put two such energy storage modules together with their side surfaces to each other, then the respective contact surfaces of the energy storage modules come into contact, and these can be interconnected in a simple and reliable way to an energy storage system.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens zum Messen einer elektrischen Spannung an einem Energiespeichermodul und/oder einem Energiespeichersystem wird die elektrische Spannung an jeweils zwei Kontaktelementen, welche jeweils mit der Anodenschicht und der Kathodenschicht einer Energiespeicherzelle verbunden und aus dem Stapel herausgeführt sind, abgegriffen und gemessen. Dadurch kann die Zellenspannung einer einzelnen Energiespeicherzelle in einem Stapel mit mehreren Energiespeicherzellen zuverlässig erfasst und dadurch der Betriebszustand, insbesondere Ladungszustand, der einzelnen Energiespeicherzelle ermittelt werden. Alternativ kann dadurch auch eine elektrische Spannung mehrerer Energiespeicherzellen in mehreren Stapeln, welche in einem Energiespeichersystem parallel geschaltet sind, erfasst werden, ohne dass eine Messung an mehreren einzelnen Energiespeicherzellen notwendig wäre.In a further preferred embodiment of the method for measuring an electrical voltage on an energy storage module and / or an energy storage system, the electrical Tension at each two contact elements, which are each connected to the anode layer and the cathode layer of an energy storage cell and led out of the stack, tapped and measured. As a result, the cell voltage of a single energy storage cell can be detected reliably in a stack with a plurality of energy storage cells and, as a result, the operating state, in particular charge state, of the individual energy storage cell can be determined. Alternatively, an electrical voltage of a plurality of energy storage cells in a plurality of stacks, which are connected in parallel in an energy storage system, can thereby also be detected, without it being necessary to measure several individual energy storage cells.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
-
1 ein erstes Beispiel eines Energiespeichermoduls; -
2 ein zweites Beispiel eines Energiespeichermoduls; und -
3 ein Beispiel zur Verschaltung von Energiespeichermodulen zu einem Energiespeichersystem.
-
1 a first example of an energy storage module; -
2 a second example of an energy storage module; and -
3 an example of the interconnection of energy storage modules to an energy storage system.
Die in dieser Weise in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen
Ferner sind elektrisch leitende Kontaktelemente
Die Kontaktelemente
Dem gegenüber wäre die Messung der Gesamtspannung des Stapels
Die Kontaktflächen
Die Kontaktflächen
Im dargestellten Beispiel ist die Ausdehnung der Kontaktflächen
Grundsätzlich kann die Ausdehnung der Kontaktflächen
Um ein Überlappen bzw. eine elektrische Kontaktierung von zwei benachbarten Kontaktflächen
Durch die beschriebene Dimensionierung der Kontaktflächen
Die Kontaktelemente
Auch wenn die Kontaktflächen
Wie anhand eines zusätzlichen Energiespeichermoduls
Dadurch wird ein Ladungsausgleich zwischen zwei oder mehreren benachbarten Energiespeicherzellen
Die elektrische Zellenspannung aller senkrecht zur Stapelrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EnergiespeichermodulEnergy storage module
- 22
- Stapelstack
- 33
- Stapelrichtungstacking direction
- 44
- EnergiespeicherzelleEnergy storage cell
- 55
- Anodenschichtanode layer
- 66
- Kathodenschichtcathode layer
- 77
- FestkörperelektrolytSolid electrolyte
- 88th
- Kontaktelementcontact element
- 99
- Seitenflächeside surface
- 1010
- Kontaktflächecontact area
- 1111
- Leiterfahneconductor tab
- 1212
- EnergiespeichersystemEnergy storage system
- 1313
- Pfeil (Zusammenfügen der Energiespeichermodule)Arrow (assembling the energy storage modules)
Claims (11)
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